嵌入式系统体系结构
第1章嵌入式系统概述
2、SiM3U1xx（80MHZ USB）系列（M3）
1.4 STM32系列微控制器简介 STM32为意法半导体(ST)公司生产的ARM处理器。
Flash Size (bytes)
512K
256 K
STM32 prod Q2/08 Samples Dec 07 Prod Q2/08
未来 发展方向
64 K 32 K
STM32 Samples NOW Prod Oct 07
72 MHz CORTEX- M3 CPU Wide offer
• 32KB-512KB Flash • 6Kb-64KB RAM
0K 48 pins 64 pins 100 pins
144 pins
LQFP
LQFP
LQFP
LQFP
(7x7) (10x10) (14x14)/BGA (20x20)/BG
machinery or plants”.
1.嵌入式系统简介
目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一种定义是全面的。下面给出两种 比较合理定义：
●从技术的角度定义：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 ●从系统的角度定义：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧 密耦合在一起的计算机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一 个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。
ADC
16 channels /
Tem1pMSsepns sor
Power Supply Reg 1.8V
POR/PDR/PV XTDAL
oscillators 3I2nKt.HRzC+ o4s~c1il6lMatoHrzs 32KHz +
1.嵌入式系统组成简介
串口4
串口1
串口2
设备
1）嵌入式系统硬件系统
嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器 为核心，配臵必要的外围接口部件。在嵌 入式系统设计中，应尽可能选择适用于系 统功能接口的SoC/SOPC芯片，以最少的外 围部件构成一个应用系统，满足嵌入式系 统的特殊要求。 一般包括有 ：嵌入式处理器; 存储器; I/O系统和外设。
硬件抽象层
是硬件功能模块的集合，是对硬设备功能的第一
层抽象，实现基本的IO操作。 所关心的是如何实现硬件功能的软件接口，而不 是设备的管理逻辑。 每个硬件可能有多个端口（设备），对应的硬件 抽象层是对这些端口（设备）操作的基本抽象， 为驱动程序管理这些设备提供接口。上层驱动程 序在不需要了解具体设备硬件信息的情况下，就 可以操作这些设备。
2）板级支持包BSP
BSP主要是为驱动程序提供访问硬件设备寄存器 的函数包，从而实现对操作系统的支持。不同操作 系统有不同的板级支持包。具体完成如下二方面的 功能： ①在系统启动时，完成对硬件的初始化。如对设备 的中断、CPU的寄存器和内存区域的分配等进行操作。 ②为驱动程序提供访问硬件的手段。如系统是统一 编址的，则可以直接在驱动程序中用C语言的函数进 行访问。如是单独编址的，只能用汇编语言编写函 数进行访问。BSP就是为上层的驱动程序提供访问硬 件设备寄存器的函数包。
（3）中间层（驱动层软件）
使用任何外设都需要有驱动程序的支持， 驱动程序不仅要实现设备的基本功能函数， 如初始化、中断响应、发送、接收等，而且 还要提供完备的错误处理函数。中间层为上 层软件提供了设备的操作接口。上层程序只 需调用驱动程序提供的接口，而不用理会设 备具体的内部操作。 驱动层软件（中间层）将系统软件与底 层硬件部分进行了隔离，使得系统的底层设 备驱动程序与硬件无关。具体包括硬件抽象 层HAL和板级支持包BSP。
ARM嵌入式体系结构与接口技术
4
1.1.1 嵌入式系统的基本概念
嵌入式系统的特点
（1）面向特定应用的特点，与“通用型”系统相比，满 足特定应用的特定需求 （2）嵌入式系统的硬件和软件都必须进行高效地设计， 量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更 高的性能 （3）嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和 电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。
8
1.1.2 嵌入式系统的体系结构
嵌入式操作系统不仅具有通用操作系统的一般功 能，如向上提供对用户的接口（如图形界面、库 函数API等），向下提供与硬件设备交互的接口（ 硬件驱动程序等），管理复杂的系统资源， 在系统实时性、硬件依赖性、软件固化性以及应 用专用性等方面，具有更加鲜明的特点
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1.1.2 嵌入式系统的体系结构
5
（4）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的 软件一般都固化在存储器芯片中或单片机本身，而不是 存储于磁盘中。 （5）嵌入式开发的软件代码尤其要求高质量、高可靠性 。 （6）嵌入式系统本身不具备二次开发能力，即设计完成 后用户通常不能在该平台上直接对程序功能进行修改， 必须有一套开发工具和环境才能进行再次开发。厂家对 产品固件（Firmware）进行升级
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1.1.1 嵌入式系统的基本概念
嵌入式系统的基本概念
嵌入式系统应用随处可见，工业、军事、宇宙、通信、运 输、金融、医疗、气象、农业等领域 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机控制系统为基础， 并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成 本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统通常由特定功能模块和计算机控制模块组成， 主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统 以及用户应用软件等部分组成。它具有“嵌入性”、“专 用性”与“计算机系统”的三个基本要素。
计算机体系结构与嵌入式系统的关系与应用
计算机体系结构与嵌入式系统的关系与应用计算机体系结构是指计算机系统中各个部分组成和相互关系的结构。
嵌入式系统是指集成在各种电子产品中的特定计算功能的系统。
计算机体系结构和嵌入式系统之间存在着密切的关系，同时也有着广泛的应用。
一、计算机体系结构对嵌入式系统的影响计算机体系结构的设计直接影响到嵌入式系统的性能和稳定性。
首先，计算机体系结构的选择决定了嵌入式系统的数据处理能力。
不同的体系结构对数据运算的方式和速度有不同的要求，因此在设计嵌入式系统时，需要根据实际需求选择合适的计算机体系结构。
其次，计算机体系结构对嵌入式系统的能耗也有较大影响。
在嵌入式系统中，能耗是一个非常重要的指标。
计算机体系结构的设计可以通过优化指令集、控制逻辑等方式减少功耗，从而延长嵌入式系统的使用时间。
最后，计算机体系结构的可扩展性也对嵌入式系统的发展起到重要作用。
随着科技的进步和市场需求的变化，嵌入式系统需要不断升级和扩展功能。
而计算机体系结构的设计应当能够支持新的硬件设备的集成和功能的增加。
二、嵌入式系统在计算机体系结构中的应用嵌入式系统在计算机体系结构中有着广泛的应用。
首先，嵌入式系统在存储系统中发挥着重要作用。
通过嵌入式系统的设计和控制，存储系统可以提供高性能和高可靠性的存储服务。
其次，嵌入式系统在计算机网络中的应用也非常广泛。
嵌入式系统可以实现网络设备的智能控制和管理，提高网络性能和可靠性。
例如，路由器、交换机等网络设备中嵌入的嵌入式系统可以实现数据包的转发和路由选择，以及网络性能的监控和管理。
此外，嵌入式系统还广泛应用于多媒体系统中。
通过嵌入式系统的设计，多媒体系统可以实现音视频的编码和解码，图像的处理和展示等功能。
嵌入式系统的高性能和低功耗特点使得多媒体系统可以在有限的资源下实现高质量的多媒体处理。
另外，嵌入式系统在智能设备中的应用也越来越重要。
例如，智能手机、智能家居等设备中的嵌入式系统可以实现语音识别、图像识别、人工智能等高级功能，为用户提供更加便捷的使用体验。
嵌入式系统体系结构
嵌入式系统体系结构嵌入式系统体系结构：嵌入式系统的组成包含了硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层。
1、硬件层：嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和I/O接口。
嵌入式核心模块=微处理器+电源电路+时钟电路+存储器Cache：位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。
它的主要目标是减小存储器给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快。
2、中间层(也称为硬件抽象层HAL或者板级支持包BSP).它将系统上层软件和底层硬件分离开来，使系统上层软件开发人员无需关系底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口开发即可。
BSP有两个特点：硬件相关性和操作系统相关性。
设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：A、嵌入式系统的硬件初始化和BSP功能。
片级初始化：纯硬件的初始化过程，把嵌入式微处理器从上电的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态。
板级初始化：包含软硬件两部分在内的初始化过程，为随后的系统初始化和应用程序建立硬件和软件的运行环境。
系统级初始化：以软件为主的初始化过程，进行操作系统的初始化。
B、设计硬件相关的设备驱动。
3、系统软件层：由RTOS、文件系统、GUI、网络系统及通用组件模块组成。
RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。
4、应用软件：由基于实时系统开发的应用程序组成。
嵌入式芯片体系结构介绍1.嵌入式微处理器(Micro Processor Unit，MPU)嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。
它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。
但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。
和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。
目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。
嵌入式系统概述
四、嵌入式系统体系结构
Application API
Embedded RTOS External Devices
CPU
I/O System
嵌入式系统软件
Hardware Independent Software Applications RTOS libraries
File System
RTOS Kernel
内嵌入OS的代码模块，实现软硬件的无缝结合。
三、嵌入式系统的基本要素
嵌入式处理器系统
嵌入式处理器 各种类型存储器 模拟电路及电源 接口控制器及接插件
嵌入式软件系统
实时操作系统（RTOS） 板级支持包（BSP） 设备驱动（Device Driver） 协议栈（Protocol Stack） 应用程序（Application）
串行线 Linux/PC工作站 BDM电缆
Internet
PSTN
笔记本电脑
开发板
开发板
源文件
源文件
交叉编译 用于一个处理器
文件 *.o
命令文件
文件 *.o
文件 *.o
交叉连接
下载可执行 文件bin
交叉开发调试环境
二、嵌入式系统的分类
按表现形式分： （硬件范畴）
IP级（系统级芯片SoC） 芯片级 模块级
按实时性要求分： （软件范畴）
非实时系统（PDA） 软实时系统（消费类产品） 硬实时系统（导引头等工业和军工系统）
嵌入式系统的分类（续）
按嵌入式CPU分
嵌入式微控制器MCU：单片机 DSP处理器：执行速度快 嵌入式微处理器MPU：如ARM 片上系统SoC（System On Chip）：直接在处理器片
嵌入式存储器及系统结构
上面那个系统的外围器件比较多,电路也比较复杂. 对于很多的嵌入式系统,如小型手持设备而言,出于硬件成 本,PCB板面积等因素的考虑,往往去掉其它一些器件. 比如,在自带Nand Flash的情况下,可用NandFlash代替 EEPROM和NorFlash.如有些MCU自带USB控制器和 LCD Driver,RTC等,就可以省去这些外围电路.但需要 一个MCU/MPU能直接运行的Bootloader程序对存放在 NandFlash的程序进行引导.该BootLoader程序必须带有 NandFlash驱动. 对于另外一些MPU,由于自身并不带有RAM和ROM,就需 要扩展相应的电路. 对于某些MCU/MPU,其内置的ROM自带有Bootloader.
嵌入式存储器及系统结构嵌入式系统结构嵌入式系统体系结构嵌入式系统软件结构嵌入式系统的组成结构嵌入式系统的结构嵌入式系统的存储结构嵌入式系统结构图嵌入式系统数据结构嵌入式存储器
嵌入式存储器及系统结构
李 立华 2007.04.13
目录
1.嵌入式存储器简介 嵌入式存储器简介
1.1 常用存储器简介
1.嵌入式系统存储器 1.嵌入式系统存储器
对NandFlash而言,h读写流程图.
写数据
读数据
事实上,在写数据时,还要先对擦除NandFlash. 在送地址和数据时,NandFlash通过I/O总线依次送入地址和数据,而 且读写是以块为单位进行操作. 这样,如果要访问NandFlash内的数据,必段以块中的页为单位,根据 所指定的块和页将该页的数据读入内存,然后根据内存中的相对地址 对该数据进行访问. 该原理和PC机的硬盘工作机理很相似. 如果需要将NandFlash作程序存储器,需要注意以下事项: (1)由于NandFlash出错和出现坏块的机会比NorFlash大得多,而程序出 错后的问题往往是致命的.所以必须有错误冗余校验机制和纠错机制. (2)由于MCU/MPU不能直接对NandFlash程序和数据进行访问,所以必 须有一个BootLoader程序将NandFlash程序映射到RAM中才可以执行. 也就是说在该单片机系统中,必须有一个ROM存储引导程序.该引 导程序一般说来是很精巧的. 在该BootLoader,必须包含NandFlash读驱动程序. 需要注意的是,该处的BootLoader和我们PC机的Boot是有区别的,而 更像PC机的BIOS程序. (3)用NandFlash存储程序的系统一般都用于程序量比较大,且要求带有 NandFlash存储器的系统.
嵌入式课程第1讲嵌入式系统综述ppt课件
课程设置的必要性
▪ 应用需求日益复杂 ▪ 微处理器技术长足发展 ▪ 社会对嵌入式技术人才的需求
据统计2002年16/32位嵌入式处理 器的销售额已接近70亿美元 ▪ 嵌入式软件技术成为核心
4/92
嵌入式处理器快速成长
$70亿
5/92
课程目的
了解嵌入式系统的概念和体系结构
掌握嵌入式系统的软硬件开发方法
代表产品有TI的TMS320C2000/C5000 和Motorola的DSP56000
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嵌入式SOC
System On Chip,片上系统/系统芯片 将很多功能模块集成到单个芯片上 ➢ 各种通用处理器内核作为SOC设计公司的标准库，
用VHDL等语言描述 ➢ 除个别无法集成外，嵌入式系统的大部分集成到一
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课程安排（5）
3. 嵌入式Linux设备驱动实验 － 基本的编程实现 － 数码管驱动与按键驱动的结构分析及使用方法
4. 串口通讯与短信收发系统综合实验 － 基于Qt的嵌入式GUI程序设计 － 串口通讯程序设计 － 短信收发程序设计 － 程序编译下载与运行
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评分标准
课堂表现与出勤率：20％ 实验表现：50％ 实验报告：30％
MIPS公司开发了32位高性能，低功耗的处理器 内核MIPS 32 4Kc和64位的处理器内核MIPS
64 5Kc
应用范围：机顶盒、视频游戏机、Cisco路由
器、激光打印机
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典型的嵌入式微处理器－PowerPC
PowerPC架构特点：可伸缩性好，方便灵活
既有通用处理器，也有嵌入式微控制器和内核， 应用范围非常广泛，从高端服务器、工作站到 PC，从消费类电子到通信设备
嵌入式系统硬件体系结构设计
嵌入式系统硬件体系结构设计一、嵌入式计算机系统体系结构体系主要组成包括：硬件层中涵盖嵌入式微处理器、存储器（sdram、rom、flash等）、通用设备USB和i/oUSB（a/d、d/a、i/o等）。
在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。
其中操作系统和应用程序都可以固化在rom中。
硬件层与软件层之间为中间层，也称作硬件抽象化层（hardwareabstractlayer，hal）或板级积极支持纸盒（boardsupportpackage，bsp），它将系统上层软件与底层硬件拆分开去，并使系统的底层驱动程序与硬件毫无关系，上层软件开发人员无须关心底层硬件的具体情况，根据bsp层提供更多的USB即可展开研发。
该层通常涵盖有关底层硬件的初始化、数据的输出/输入操作方式和硬件设备的布局功能。
3.系统软件层系统软件层由实时多任务操作系统（real-timeoperationsystem，rtos）、文件系统、图形用户USB（graphicuserinterface，gui）、网络系统及通用型组件模块共同组成。
rtos就是嵌入式应用软件的基础和研发平台。
功能层主要由实现某种或某几项任务而被开发运行于操作系统上的程序组成。
一个嵌入式系统装置通常都由嵌入式计算机系统和继续执行装置共同组成，而嵌入式计算机系统就是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层共同组成。
继续执行装置也称作被控对象，它可以拒绝接受嵌入式计算机系统收到的掌控命令，继续执行所规定的操作方式或任务。
本网关硬件环境以单片机s3c2440芯片和dm9000以太网控制芯片为主，实现rj45接口和rs232接口的数据传输。
内容包括硬件环境的初始化，数据的收发控制，封包解包设计，操作系统的移植等。
硬件框图就是直观的将每个功能模块列举，也就是一个基本的模块女团，可以简约的每个模块的功能彰显出。
嵌入式系统――体系结构、编程与设计
嵌入式系统――体系结构、编程与设计嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，它被设计用来完成特定的任务。
它通常集成在其他产品或系统中，比如汽车、家电、医疗设备等等。
嵌入式系统的体系结构、编程和设计是关键的方面，决定了系统的性能和功能。
嵌入式系统的体系结构是指系统的硬件组成和组织方式。
嵌入式系统通常采用定制化的硬件设计，与通用计算机系统有所不同。
它们通常具有较小的体积和较低的功耗要求，并且需要满足特定的实时性和可靠性需求。
嵌入式系统的体系结构包括处理器、存储器、外设等组件的选择和组织方式，以及系统的总线结构、中断处理等。
嵌入式系统的编程是指为系统编写软件的过程。
由于嵌入式系统的硬件和软件紧密耦合，编程需要考虑硬件的特性和限制。
常见的嵌入式系统编程语言包括C、C++、汇编等，开发工具包括编译器、调试器等。
在编程过程中，需要理解并利用系统提供的接口和功能来实现所需的功能。
此外，由于嵌入式系统通常对资源有限，编程需要注意优化代码，减小系统的资源占用。
嵌入式系统的设计是指系统功能和性能的设计。
在设计过程中，需要明确系统的需求和目标，并根据需求选择合适的硬件和软件组件。
设计还需要考虑系统的实时性、可靠性和安全性等方面的要求。
此外，设计还需要考虑系统的可维护性和可扩展性，以便在后续的升级和维护过程中更加方便和高效。
嵌入式系统的体系结构、编程和设计是相互关联的，它们共同决定了系统的性能和功能。
在嵌入式系统开发过程中，需要综合考虑这些方面，以满足系统的需求并提供良好的用户体验。
同时，嵌入式系统的开发也需要团队合作，包括硬件工程师、软件工程师、测试工程师等的协同工作。
总结起来，嵌入式系统的体系结构、编程和设计是嵌入式系统开发过程中的关键方面。
通过合理的体系结构设计、优化的编程和精心的系统设计，可以实现嵌入式系统的高性能和丰富的功能，从而满足用户的需求。
嵌入式系统的发展将继续推动物联网、智能家居、智能交通等领域的发展，为人们的生活带来更多的便利和舒适。
嵌入式系统第一章 嵌入式系统概述
• DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100， DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。
• 另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结 构低成本、低功耗技术上制造的R. E. A. L DSP处理器，应 用目标是大批量消费类产品。
• 第一章 嵌入式系统概述
• 嵌入式处理器 ——嵌入式片上系统(SOC)
随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的 迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代 已来临，这就是System On Chip(SOC)。
•各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许 多其它嵌入式系统外设一样，成为 VLSI设计中一种标准的 器件，用标准的 VHDL等语言描述，存储在器件库中。
CPU（中央处理单元）
输入设备
运算器
输出设备
控制器
存储器
CPU
单片机工作支撑模块
数据存储器
程序存储器
其他模块
内部总线
定时/计数器模块 串行通讯接口 A/D转换模块 D/A转换模块 通用I/O模块
第一章 嵌入式系统概述
1.2嵌入式系统基本构成
• 硬件系统
• CPU • 存储器 • 模拟前向通路 • 模拟后向通路 • 数字输入 • 数字输出 • 人机界面 • 通信系统 • 电源系统
和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、 成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总 线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也 较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板 上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。
ARM嵌入式体系结构与接口技术
23
精品课件
ARM芯片厂商
2、PCB设计仿真阶段
需要在EDA仿真设计平台下，设计系统原理图及
PCB，并对PCB板上的信号完整性、EMI等进行
仿真，根据仿真结果来对PCB进行合理的布局布
线调整，完成PCB的设计
PCB图
ML67Q4051, ML67Q4060, ML67Q4061, ML696201, ML69Q6203
Samsung (ARM7/ARM9/Cortex-M3 Family)
S3C2410A, S3C2440A, S3C44B0X, S3C4510B,S5PC210
Sharp (ARM7/ARM9/Cortex-M3 Family)
LPC2294, LPC2364, LPC2366,, LPC2880, LPC2888, LPC3180
OKI (ARM7/ARM9/Cortex-M3 Family)
ML674000, ML674001, ML674002, ML674003, ML675001, ML675002, ML675003, ML67Q4050,
到终端用户手中
云计算的核心思想，是将大
量用网络连接的计算资源统
一管理和调度，构成一个计
算资源池向用户按需服务。
精品课件
12
1.2 嵌入式系统的组成
应用 软 件
嵌 入 式操 作 系 统
硬件 设 备
嵌入式处理器
外围 设 备
图1-1 嵌入式系统结构简图
精品课件
13
1.2 嵌入式系统的组成
嵌入式系统复习 南京邮电大学 期末复习 答案 提纲
1.嵌入式系统定义p1嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计算机系统。
2.嵌入式系统的组成结构，层次关系p4、板级支持包p61．硬件层硬件层由嵌入式微处理器、存储系统、通信模块、人机接口、其它I/O接口（A/D、D/A、通用I/O等）以及电源等组成。
嵌入式系统的硬件层以嵌入式微处理器为核心。
2．中间层硬件层与软件层之间为中间层，它把系统软件与底层硬件部分隔离，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关。
中间层一般包括：硬件抽象层（Hardware Abstract Layer，HAL）板级支持包（Board Support Package，BSP）3．软件层实时操作系统（Real Time Operating System，）文件系统图形用户接口（Graphical User Interfaces，GUI）网络系统通用组件模块RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。
4．功能层功能层由基于RTOS开发的应用程序组成，用来完成实际所需的应用功能。
功能层是面向被控对象和用户的，当需要用户操作时往往需要提供一个友好的人机界面。
3.嵌入式处理器的分类，有哪些典型的嵌入式处理器p8嵌入式处理器的分类：嵌入式微控制器（MCU），嵌入式微处理器（MPU），嵌入式DSP 处理器，SoC 片上系统。
1.嵌入式微控制器(MicroController)嵌入式微控制器又称单片机，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。
嵌入式微控制器将CPU、存储器（少量的RAM、ROM或两者都有）和其他外设封装在同一片集成电路里，因为其片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。
与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本降低、可靠性提高。
由于微控制器低廉的价格、优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，是目前嵌入式系统工业的主流。
文件系统结构分析
文件系统结构分析1 嵌入式文件系统1.1嵌入式文件系统体系结构在嵌入式系统中，文件系统是嵌入式系统的一个组成模块，它是作为系统的一个可加载选项提供给用户，由用户决定是否需要加载它。
同时，它还需要满足结构紧凑、代码量小、支持多种存储设备、可伸缩、可剪裁、可移植等特点。
基于上面的要求，嵌入式文件系统在设计和实现时就要把它作为一个独立的模块来整体考虑。
特别是对文件系统内部资源的管理要做到独立性。
由于嵌入式文件系统是作为嵌入式系统的一个可选加载项提供给用户的，当用户针对其应用的特殊要求对嵌入式系统进行配置时没有选择加载文件系统，但是用户还是需要使用到系统I/O。
由于这种情况的出现就决定了嵌入式系统中的文件系统不再具有I/O设备的管理功能。
系统I/O的管理和使用接口的提供将由I/O管理模块完成，文件系统作为一个独立的自包含模块存在。
基于以上考虑，嵌入式文件系统的体系结构如图1所示。
图1 嵌入式文件系统体系结构在嵌入式文件系统的最上层是文件系统API。
文件系统的一切功能都是通过这一层提供给用户的。
同时，在整个文件系统中也只有这一层对用户是可见的。
在这一层中所提供的所有功能接口都将严格的遵循POSIX标准。
文件系统核心层是实现文件系统主要功能的模块。
在这一层中，文件系统要把用户的功能操作转化成对文件系统的抽象对象的操作。
这些操作将通过下面的功能模块最终落实到物理介质上面。
如果文件系统需要支持多种具体的文件系统格式的话，这一层还可以进一步细分成虚拟文件系统和逻辑文件系统。
块高速缓存的存在是为了提高文件系统的性能。
在这一层中缓存着以前访问过的块设备数据。
文件系统通过一定的算法来高效的管理这些数据，以提高缓冲的性能。
同时，它的存在使下层的数据操作对上层的文件操作透明，提高了文件系统的模块性。
1.2嵌入式文件系统体系的功能与特点文件系统是操作系统的重要组成部分，用于控制对存储设备的存取。
它提供对文件和目录的分层组织形式、数据缓冲(对于实时系统，允许绕过缓冲)以及对文件存取权限的控制。
嵌入式填空
1.嵌入式系统的组成结构：①硬件层②中间层③软件层④功能层2.嵌入式按照软件结构分类：①循环轮询系统②前后台系统③多功能系统3.嵌入式三级流水线：取值译码执行4.ARM处理器支持的数据类型：Byte字节8位Halfword半字16位word字32位5.处理器的模式：ARM体系结构支持7种处理模式，分为用户模式和特权模式，特权模式又分为系统模式和异常模式。
6.处理器的工作状态：①ARM状态：32位，执行字对准的ARM准备②Thumb状态：16位，执行半字对准的Thumb指令7.寄存器组织:ARM处理器共有37个寄存器：①31个通用寄存器，32位，含程序计数器PC ②6个状态寄存器，32位，只使用了其中的12位③R13通常用作堆载指针SP④R14通常用作子程序链接寄存器LR ⑤R15通常被用作程序计数器PC8. 握手线用两根连线enq（查询）和ACR（应答）来表示。
9.DMA要求CPU提供两个附加的总线信号：总线请求和总线授权。
10.存储设备：存储系统分为四级，寄存器组，高速缓冲存储器，内存和外存。
他们在存取速度上一次递减在存储容量上连级递减。
11.以太网协议...IEEE.802.3媒体的存取规则采用CSMA/CD(载波检测多路存取/冲突检测)12.嵌入式软件的体系结构包括：驱动层，操作系统层，中间件层，和应用层。
13.驱动层软件分为三种类型：①板级初始化程序，②与系统软件相关驱动程序，③与应用软件相关的驱动程序。
14.设备驱动层软件中有两个重要概念：硬件抽象层（HAL）和板级支持包（BSP）。
硬件抽象层与硬件更加紧密的相关性。
而板级支持包与操作系统具有更加紧密的相关性15.嵌入式每一个任务都是一个无限的循环，可以处在五种状态之下：①体眼态②就绪态③运行态④挂起态⑤被中断态16.基于优先级调度法的内核有两种：占先式内核和非占先式内核17.嵌入式程序优化:：①执行时间的优化②能量优化③长度优化18.嵌入式系统广泛使用了两种不同类型程序的设计范型：状态机和循环缓冲区。
嵌入式系统原理及应用基于arm-cortexm4体系结构
嵌入式系统原理及应用基于arm-cortexm4体系结构1. 引言1.1 概述嵌入式系统是指嵌入到其他设备中的计算机系统，它具有高度集成、可靠性强和功耗低等特点。
随着科技的不断发展和进步，嵌入式系统在各个领域得到了广泛的应用，包括但不限于消费电子产品、医疗设备、交通工具以及智能家居等。
本文将重点介绍基于ARM Cortex-M4体系结构的嵌入式系统原理及应用。
ARM Cortex-M4是一种32位RISC处理器架构，被广泛应用于微控制器（MCU）领域。
通过对ARM Cortex-M4架构的详细介绍，我们可以深入了解其特点和优势，并在后续章节中探讨如何实际开发嵌入式系统。
1.2 文章结构本文分为以下几个部分：第二部分将概述嵌入式系统的定义，并讨论其特点和应用领域。
我们将从整体上了解什么是嵌入式系统以及它们在现实生活中扮演的角色。
第三部分将详细介绍ARM Cortex-M4架构。
我们将对ARM体系结构进行概览，并重点讨论Cortex-M系列的特点和分类。
接着，我们将深入研究Cortex-M4架构以及其独特的特性。
第四部分将介绍嵌入式系统开发流程和工具链。
我们将概述嵌入式开发的一般流程，并讨论如何选择和配置合适的嵌入式开发工具链。
此外，我们还会提供一些关于开发板硬件选择和选型指南的实用信息。
第五部分将通过应用案例分析和实践，展示嵌入式系统在不同领域中的具体应用。
我们将着重介绍实时操作系统（RTOS）在嵌入式开发中的应用、传感器与嵌入式系统集成设计实例以及基于ARM Cortex-M4的音频处理应用案例。
最后，第六部分是本文的结论部分，我们将对全文进行总结并提出进一步研究和应用的展望。
1.3 目的本文旨在深入探讨基于ARM Cortex-M4体系结构的嵌入式系统原理及应用。
通过对该体系结构的详细介绍和相关案例分析，读者能够更好地了解嵌入式系统在各个领域中的实际运用方式，并且为他们在嵌入式系统开发中提供指导和帮助。
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Linux 的软件开发环境编译原理Linux 环境下的GCC 及ARM交叉编译器的概念和使用调试技术内核编译、裁减以及Linux 的移植从功能上看，一个编译程序就是一个语言翻译程序,它把一种语言(称作源语言)书写的程序翻译成另一种语言(称作目标语言)的等价的程序.术语编译程序的源语言(源程序)编译程序的目标语言(目标程序)编译程序的实现语言S OI高级语言书写的程序编译程序低级语言程序S TI分类软件系统软件语言处理系统操作系统编译系统裸机软件：计算机系统中的程序及其文档 系统软件：居于计算机系统中最靠近硬件的一层，其他软件一般都通过系统软件发挥作用。
他和具体的应用领域无关，如编译系统和操作系统等。
语言处理系统：把软件语言书写的各种程序处理成可在计算机上执行的程序。
软件语言：用于书写软件的语言。
它主要包括需求定义语言，功能性语言，设计性语言，程序设计语言以及文档语言。
预处理器编译器汇编器装配连接编辑骨架程序源程序目标汇编程序可重定位机器代码绝对机器码可重定位目标文件库语言处理过程(变）换系统C++CC++编译器Java BytecodeJava编译器编译程序(compiler)编译程序的源语言(源程序) (source language)(source program)编译程序的目标语言(目标程序) (object or target language)(object or target program) 编译程序的实现语言(implementation language)语言处理程序(language processor)语言转（变）换(language transformation)编译逻辑过程★词法分析★语法分析★语义分析★中间代码生成★代码优化★目标代码生成从左至右读字符流的源程序、识别(拼)单词例：position := initial + rate * 60;position := initial + rate * 60;单词类型单词值标识符1(id1)position算符(赋值):=标识符2(id2)initial算符(加)+标识符3(id3)rate算符(乘)*整数60分号；C源程序片断：int a;a = a + 2;词法分析后可能返回:单词类型单词值保留字int标识符(变量名)a界符;标识符(变量名) a算符(赋值)=标识符(变量名) a算符(加)+整数2界符；功能:层次分析.依据源程序的语法规则把源程序的单词序列组成语法短语(表示成语法树).position := initial + rate * 60 ;规则<赋值语句>::=<标识符>“:=”<表达式><表达式>::=<表达式>“+”<表达式><表达式>::=<表达式>“*”<表达式><表达式>::=“(”<表达式>“)”<表达式>::=<标识符><表达式>::=<整数><表达式>::=<实数>赋值语句标识符表达式表达式+表达式表达式标识符整数标识符:=表达式*:=+N 60*id1 Positionid2 initialid3 rate语义审查(静态语义)上下文相关性类型匹配类型转换例:Program p();Var rate:real;procedure initial;…position := initial + rate * 60/* error */ /* error */ /* warning */;…:int arr [2],abc;abc = arr * 10;…Program p();Var rate:real;Var initial :real;Var position :real ;…position := initial + rate * 60(semantic analysis)60:=+*Id1 positionId2 initialId3 rateinttoreal(intermediate code generation)源程序的内部(中间)表示三元式、四元式、P-Code、C-Code、U-Code、bytecode( *id3t1t2)t2 = id3 * t1t2 := id3 * t1id1:= id2 + id3 * 60(1)(inttoreal,60-t1)(2)(*,id3t1t2)(3)(+,id2t2t3)(4)(:=,t3-id1)id1:= id2 + id3 * 60(1)(inttoreal60-t1)(2)( *id3t1t2)(3)( +id2t2t3)(4)( :=t3-id1)变换（1）( *id360.0t1)( 2）（+id2 t1id1)(code optimization)t1 = b* c t1 = b* ct2 = t1+ 0 t2 = t1 + t1 t3 = b* c a = t2t4 = t2 + t3a = t4(*,id360.0t1) (+,id2t1id1)movf id3,R2mulf#60.0,R2movf id2,R1addf R2,R1movf R1,id1(symbol table)记录源程序中使用的名字收集每个名字的各种属性信息 类型、作用域、分配存储信息Const1常量值：35Var1变量类型：实层次：2(error handling)检查错误、报告出错信息、排错、恢复编译工作(components)词法分析程序语法分析程序语义分析程序中间代码生成程序代码优化程序目标代码生成程序符号表管理程序出错处理程序出错处理语法分析程序语义分析程序目标代码生成程序词法分析程序中间代码生成程序代码优化程序表格管理分析，综合(synthesis)源程序的分析线性分析层次分析语义分析目标程序的综合编译的前端（front end）编译的后端（back end）遍（趟）从头到尾扫描源程序（各种形式）一遍(pass)(interpreter)功能让计算机执行高级语言（basic,Matlab,prolog) 与编译程序的不同1）不生成目标代码2）能支持交互环境（同增量式编译系统）源程序初始数据直接对源程序中的语句进行分析，执行其隐含的操作。
如：… …b := 2 ;a := b+2 ; 编译程序write a ;… …解释程序直接将4的值输出（显示）名字表目标代码缓冲区编译用源程序中间表示各种表格目标代码区数据区源程序缓冲区功能：程序集成环境实现方式手工机器语言汇编系统程序设计语言自动构造工具lex yacc gcc语言范型(paradigms)命令式(imperative language)应用式(applicative)基于规则的（rule-based）面向对象的（object-oriented） 编译程序执行环境批处理交互环境嵌入系统环境并行编译技术交叉编译技术硬件描述语言及其编译技术目的：提高并行计算机体系结构的性能。
超大规模计算的日益增长的需求高性能计算机 并行软件并行体系结构单机速度并行体系结构途径1途径2编译技术支持串行程序并行化编译技术支持并行程序设计语言编译依赖于目标机的优化（低层）由于目标机指令系统与宿主机的指令系统不同，编译时将应用程序的源程序在宿主机上生成目标机代码，称为交叉编译。
S OI OA B嵌入式操作系统 宿主机操作系统及支撑环境编辑器连接器交叉调试器仿真器下载器交叉编译器代码优化器嵌入式应用电路设计依据 验证结果如：VHDL嵌入式系统和系统软件级的开发所需的计算机知识较多,而首当其冲的是嵌入式开发工具的学习，首先我们需要清楚的是为什么我们需要嵌入式开发工具：在嵌入式系统开发中目标机与宿主机是分离的，它们之间往往具有不同的组织结构，例如：我们在研究过程中宿主机一般均为ＰＣ，而目标机为不同的开发板，这些开发板和ＰＣ具有不同的体系结构，而我们为了使在ＰＣ上运行的程序在目标机上能够运行就需要将源程序编译成相应的目标代码，而这就是我们需要嵌入式开发工具的主要原因．在众多嵌入式开发工具中GNU Tools(基于Open Source的软件)是Linux环境下最重要的开发工具集,为了有效的开发嵌入式系统,至少需要了解和掌握如下几类工具:(1)编译开发工具:即能够把一个源程序编译生成一个可执行的软件,如gcc等。
(2)调试工具:即能够对执行程序进行源码或汇编级调试的软件,如gdb。
(3)软件工程工具:用于协助多人开发或大型软件项目的管理的软件,如make,cvs。
在GNU Tools中最基本的一些工具就包括: ld（链接器），as（汇编器），gcc（C语言编译器），glibc（包含各种基本函数实现的软件库）上述大部分软件均可以在ftp:///gnu/上下载。
binutils是一组二进制工具程序集，它主要包括链接器，汇编器和其它用于处理目标文件和档案的工具。
其中链接器为ld，它的主要作用是把各种目标文件（．O文件和）和库文件链接在一起，并根据定位数据和函数的地址，最终生成执行程序。
汇编器主要是AS: 是GNU编译器的汇编器(Assembler)，负责把.S或.s为后缀的汇编文件编译成. 以.o为后缀的目标文件处理目标文件和档案的主要工具是ar,它用于建立，修改和提取归档文件。
一个归档文件是包含多个被包含文件的单个文件程序员可以从归档文件中检索并得到原始的被包含文件的内容，模式，时间戳，所有者和组等属性glibc是GNU的C语言标准程序库,C语言将部分函数留给操作系统来实现,当我们的程序需要调用时,就要通过操作系统提供的C程序库来取得这些服务。
程序库与应用程序的链接方式可分为静态与动态链接两种方式，当应用程序需要一个动态链接库时就需要我们自己安装一个动态库在Linux操作系统中。
Gcc编译工具：gcc是一个强大的工具集合，它主要为GNU提供C编译器，现在Gcc也开始支持多种工具语言，如JAVA，FORTRAN 等。
如果能较好的掌握它，我们就能够通过它提供的足够多的参数来全面控制代码的生成。
在安装GNU Tools之前你需要注意的有两个问题：（一）需要了解宿主机和目标机的体系结构。
这是因为不同的体系结构所需的开发工具的版本是不同的。
（二）不同开发工具之间版本的控制。
此图列出了到目前为止成功的版本配置宿主机目标机OS内核Binutils Gcc Glibc I386i386Linux 2.4.x 2.14.90 3.3.1 2.3.2 i386ppc Linux 2.4.x 2.10.1 2.95.3 2.2.1 i386arm Linux 2.4.x 2.13.90 3.2.1 2.3.1 i386mips Linux 2.4.x 2.8.1Egcs-1.1.2 2.0.6 sparc ppc Linux 2.4.x 2.10.1 2.95.2 2.1.3 ppc arm Linux 2.4.x 2.10.1 2.95.3 2.2.3 i386strongarm Linux 2.6.x 2.14.1 3.3.3 2.3.2 i386xscale Linux 2.6.x 2.14.1 3.3.3 2.3.2的安装(三）对于每个单独的工具软件包，它的配置/编译/安装过程一般包括如下几步：（1）下载并解压软件包；（2）配置软件包；（3）编译软件包；（4）安装软件包；为了安装某些GNU Tools，可能还需要对Linux内核的include文件进行配置，这主要是由于glibc的安装是与Linux内核相关的。